Giáo Trình Cơ Học Cơ Sở (Tập 1: Tĩnh Học): Phần 1

Trang chủ Tìm kiếm Trang chủ Tìm kiếm Giáo trình Cơ học cơ sở (Tập 1: Tĩnh học): Phần 1 pdf 49 2 MB 47 185 4 ( 3 lượt) Xem tài liệu Nhấn vào bên dưới để tải tài liệu Tải về Đang chuẩn bị: 60 Bắt đầu tải xuống Đang xem trước 10 trên tổng 49 trang, để tải xuống xem đầy đủ hãy nhấn vào bên trên Chủ đề liên quan Cơ học cơ sở Tĩnh học vật lí kỹ thuật xây dựng Hệ tiên đề tĩnh học Điều kiện cân bằng bộ lực Kỹ thuật tĩnh học

Nội dung

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KlẾN TRÚC HÀ NỘI PGS. TS. ĐẶNG QUỐC LƯƠNG C0 HỊC ca sồ TẬP I : TĨNH HỌC ■ ■ (In bổ sung) NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG HÀ NÔI-2011 LỜI NÓI ĐẦU Cơ học cơ sở là môn học cơ sở cho sinh viên các trường đại học kỹ thuật. H iện nay trong các trường đại học, môn học này có các tên gọi khác n h a u n h ư cơ học lý thuyết, cơ học, cơ học kỹ thuật. N ă m 2006, Trường Đại học Kiến trúc H à Nội căn cứ uào chương trình khung đào tạo đại học của Bộ Giáo dục và Đào tạo, đã han hành chương trình giảng dạy cho các ngành học của trường, trong đó môn học này có tên gọi là Cơ học cơ sở. Với chủ trương rú t ngắn thời g ia n đào tạo đại học, thời lượng d à n h cho m ôn học vi vậy cũng phải giảm đi. Môn Cơ học cơ sở cho ngành X ây dựng dân dụng và công nghiệp, Công trình ngầm ỉà ngành có thời lượng nhiều nhất còn 75 tiết và C ỈIO các ngành K iến trúc, Quy hoạch, Q uản lý đô thị chỉ còn 30 tiết. Vi lý do đó chúng tôi biên soạn lại giáo tr ìn h này đ ể p h ù hỢp với thời lượng d à n h cho m ôn học. Giáo trình Cơ học cơ sở gồm 2 tập: Tập 1: T ình học, thời lượng 30 tiết dành cho tất cả các n g à n h học Tập 2: Động học và Động lực học, thời lượng 45 tiết d à n h cho các ngành X ây dựng, Kỹ th u ậ t hạ tầng và Môi trường đô thị. Trong mỗi tập, p h ầ n đầu là lý thuyết kèm theo các ví d ụ , p h ầ n cuối là các bài tập rèn luyện kỹ năng tính toán. Đ ể rút ngắn thời gian giảng dạy trên lớp mà sinh viên vẫn hiểu được lý thuyết và biết cách giải các bài tập, chúng tôi đưa ra nhiều v í d ụ m in h họa. M ột s ố ưí dụ được giảng dạy trên lớp, s ố còn lại sinh viên có th ể tự đọc ở nhà trước khi lầm bài tập. Phần bài tập có khá nhiều bài tập đa dạng. Giảng viên giảng dạy môn học sẽ quy định một sô'bài tập cơ bản đ ể tất cả sinh viên p h ả i làm ở nhà. Các b à itậ p khác dành cho các sinh viên khá, giỏi tự rèn luyện. Cuốn sách này là tài liệu cần thiết cho sin h viên Trường Đ ại học K iến trúc H à Nội, đồng thời củng là tài liệu tốt cho sin h viên các trường đạ i học kỹ thuật khác. C h ú n g tôi xin chân thành cám ơn Ba?ì Giáìn hiệu uà phòng Quan lý kh o a học Trường Đại học Kiến trúc Hà Aọi đỏ tạo điéii kiện thuận lợị đế cuốn sách được xuất bản. C húng tôi cũnq chcin thành cảm ơn các đồng nghiệp đô đủìì^ gop ý kiến và giúp đỡ trong việc hoàn thành cuòn sách. Vi thời g ia n biên soạn cuốn sách có hạn ncn chắc chắn còn Ỉhỉêii sót, c h ú n g tôi m ong m uốn nhận đưỢc ý kiến đỏng góp của các bạn đống nghiệp và các em sinh viên. Mọi ý kiến xin gửi uỏ phòng Quản lý khoa học Trường Đại học Kiến trúc H à Nội. T ác giá F (ỈS .T S . Đ ậiiịỉ Q u ốc Lưoìi^ MỞ ĐẦU Cơ học cơ sở là môn học nghiên cứu các định luật tổng quát nhất về sự cân bằng và chuyển động của vật thể. Trong cơ học cơ sở, chuyển động của vật thể được hiểu là sự thay đổi vị trí tưcmg đối giữa vật thể và một vật lấy làm chuẩn, gọi là hệ quy chiếu. Thời gian được xem là trôi đều không phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của vật thể. Giả thiết này phù hợp với các vật vĩ mô chuyển động với vận tốc nhỏ thua nhiều so với vận tốc ánh sáng (khoảng 300.000km/s). Không gian trong cơ học cơ sở là không gian 3 chiều thoả mãn các tiên đề và định lí hình học Ơcơlít. Cơ học cơ sở được chia thành 3 phần: Tĩnh học, động học và động lực học. Tĩnh học nghiên cứu lực và điều kiện cân bằng của vật dưới tác dụng của lực. Động học nghiên cứu các tính chất hình học chuyển động của vật. Động lực học là phần tổng quát nhất của cơ học cơ sớ, nghiên cứu chuyển động của vật thể dưới tác dụng của lực. Cơ học cơ sở có lịch sử phát triển lâu đời. Ngay từ trước Công nguyên người ta đã biết những nguyên lí đơn giản của cơ học, đã biết sử dụng đòn bẩy, mặt phẳng nghiêng, ròng rọc trong khi xây dựng các công trình. Acsimet (287 212 trước Công nguyên) là người đầu tiên đặt nền móng cho lý thuyết tĩnh học. Đến thế kỉ XVII với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, động lực học ra đời. Galilê (1564-1642) và Niutơn (1643-1727) là hai nhà bác học có còng xây dựng cơ sở lý thuyết động lực học. Những định luật cơ học cơ bản của cơ học cổ điển thưcmg được gọi là các định luật Niutơn được trình bày trong tác phẩm "Nhroĩg nguyên lý toán học của triết học tự nhiên'' xuất bản năm 1687 của Niutơn. Việc áp dụng các phép tính vi phân để giải những bài toán cơ học, lần đầu tiên được nhà toán học, cơ học nổi tiếng ơ le (1707-1783) đề xuất, đó là cơ sở của phần cơ học giải tích. Sau này ĐaLãmBe (1717-1783) và Lagrăngiơ (1736-1813) đã phát triển cơ học giải tích lên tới đỉnh cao, đưa ra các phương pháp tống quát giải các bài toán động lực học. Đến thế kỉ XIX, động học được tách ra như một bộ phận độc lập của cơ học cơ sở, do yêu cầu mạnh mẽ của sự phát triển ngành chế tạo máy và ngành xây dựng. Ngày nay, dộng học đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu chuyển động của cơ cấu và máy. Trước khi học môn cơ học cơ sở, sinh viên đã được học phần cơ học trong môn vật lý. Hai môn học này có những điểm giống nhau nhưng cũng có những điểm khác nhau cơ bản. Cơ học cơ sở và cơ học trong vật lý đều nghiên cứu sự cân bằng và chuyển động của các vật ihể, đều dựa trên các tiên đề Niutơn. Tuy nhiên, chúng khác nhau về phưcmg pháp nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu của cơ học trong vật lý chủ yếu là phưcfng pháp thực nghiệm, được tiến hành theo trình tự quan sát, làm thí nghiệm từ đó rút ra các định luật vật lý và áp dụng giải thích các hiện tượng vật lý. Phương pháp nghiên cứu của cơ học cơ sở là phương pháp tiên đề. Nội dung của phưcíng pháp tiên đề là dựa vào các khái niệm cơ bản và một số các mệnh dề đã được thực tố kiểm nghiệm là đúng (gọi là các tiên đề) để suy ra các định lý, hệ quả và cuối cùng, áp dụng chúng để tính toán các hệ kỹ thuật về phưcmg diện cơ học. Đối tượng nghiên cứu của cơ học trong vật lý là các hệ vật lý đơn giản như hệ chất điểm, các vật rắn đcín giản. Còn đối tượng nghiên cứu của cơ học cơ sở là các hệ kỹ thuật phức tạp như các nhà cao tầng, cầu, máy m óc... Trong các trưòng đại học kĩ thuật, cơ học cơ sở là cơ sở trực tiếp để học tập các môn học khác của kỹ thuật như sức bền vật liệu, cơ học kết cấu, lí thuyết đàn hồi, dao động công trình... Để hiểu được nội dung của inôn học này, sinh viên cần nắm được những kiến thức toán học cơ bản như: Đại số tuyến tính, các phép tính vi phân, tích phân, hàm nhiều biếri và một số hiểu biết thực tế kỹ thuật. Chương I CÁC KHÁI NIỆM Cơ BẢN, HỆ TIỂN ĐỂ t ĩ n h học Tĩnh học là phần thứ nhất của môn cơ học cơ sở, nội dung của tĩnh học là tìm điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của lực. Lý thuyết tĩnh học được xây diữig bằng phươnịị pháp tiên đề. Đầu tiên người ta dưa ra các khái niệm cơ bản và một sô' các mệnh đé dã dược thực tế kiểm nghiệm là đúng không chínig minh gọi là hệ tiên đề tĩnh học. Dựa trên các khái niệm cff bản vả hệ tiên đề đó người ta xáy diữig các định lý, hệ quả, được chứng minh chặt chẽ. Vì vậy trong Chương I chúng la nghiên cứii các khái niệm cơ bản \'à lĩệ tiên đê lĩnh học. l .l . CÁC KHÁI NIỆM C ơ BẢN VÀ CÁC ĐỊNH NGHĨA 1.1.1. Các khái niệm cơ bản I. Lực Lực là đại lượng đặc trưng cho tác dụng cơ học của vật thể này lên vật thể khác. V í dụ: Một người dùng búa đóng đinh vào tưòng, người đó đã tác dụng lên đinh một lực. Quả bóng đang đứng yên, ta dùng chân đá vào quả bóng làm nó bay đi, ta đã tác dụng vào quả bóng một lực... Qua nghiên cứu người ta thấy lực được đăc trưng bởi ba yếu tố sau: - Điểm đặt của lực: là điểm thuộc vật mà qua điểm đó, vật khác tác dụng lên vật. - Phương chiền của lực: cho biết lực được truyền vào vật theo phương nào, chiều nào. - Cường độ của lực: biểu thị tác dụng mạnh hav yếu của lực. Đơn vỊ đo cường độ của lực là Niutơn kí hiệu là N. Trong đó IN là lực làm cho vật có khối lượng Ikg chuyển động với gia tốc Im /sl Do có 3 yếu tố đặc trưng trên nên lực được biểu diền bằng một véc tơ buộc F có điểm đật trùng với điểm đặt lực, phưcmg chiều là phương chiều của lực, độ dài tỉ lệ với cường độ của lực. Đường thẳng mang véctơ lực gọi là đường tác dựng của lực. Trong không gian lực được phân tích íhành 3 thành phần vuông góc với nhau: F= xĩ +yT +Zk Trong đó: —>■ —► —> i , j , k là các véc tơ đơn vị trên 3 trục của hệ toạ độ Đề Các vuông góc. X, Y, z là hình chiếu của F ưên 3 trục toạ độ đó. Cường độ của lực F được xác định bởi công thức: F= Vx^+Y^ + Z^ Phưcíng chiều của lực F được xác định bởi các côsin chỉ phương: cosa _x ._Y = — ; cosp = — ;cosy = — F F F 2. Vật rắn tuyệt đối Trong cơ học cơ sở, vật thể được biểu diễn dưới hai dang mô hình là chất điểm và hê chất điểm (hay cơ hệ). - Chất điểm là điểm hình học mang khối lượng. - Hệ chất điểm là tập hợp các chất điểm có vị trí và chuyển động phụ thuộc vào nhau... - Vật rắn tuyệt đối là một cơ hệ mà khoảng cách giữa hai điểm bất kì luôn không đổi. Như vậy vật rắn tuyệt đối có hình dạng không đổi khi chịu tác dụng của lực. Trong thực tế không có vật tuyệt đối rắn mà dưới tác dụng của lực vật bị biến dạng. Ví dụ đặt lên dầm một vật nặng, dầm bị võng xuống (hình 1.3). Vì độ biến dạng của vật thưcmg là nhỏ, có thể bỏ qua nên khi xét cân bằng của vật ta coi vật là tuyệt đối rắn, và vật tuyệt đối rắn là đối tượng nghiên cứu của môn cơ học cơ sở. Để đơn giản sau này ta gọi vật rắn tuyệt đối là vật rắn. Nếu vật có biến dạng lớn ta không dùng được mô hình vật rắn tuyệt đối mà phải coi vật là vật biến dạng, đó là đối tượng nghiên cứu của cơ học vật rắn biến dạng, ví dụ c như sức bền vật liệu và cơ học kết cấu. 3. Trạng thái cân bằng Hình 1.3 Vật rắn ở trạng thái cân bằng nếu nó đứng yên đối với một vật nào đó được chọn làm chuẩn, gọi là hệ quy chiếu. Trong tĩnh học, hệ quy chiếu được chọn là hệ quy chiếu quán tính, nó thoả mãn tiên đề quán tính của Niutcm. Người ta đã chứng minh rằng không tồn tại hệ quy chiếu quán tính. Do đó chỉ có thể chọn được hệ quy chiếu quán tính gần đúng. Trong tĩnh học người ta chọn hệ quy chiếu quán tính gần đúng là trái đất. Như vậy vật rắn nằm yên so với trái đất được coi là vật ở trạng thái cân bằng. Để tiện tính toán người ta gắn vào hệ quy chiếu một hệ trục tọa độ. Với một hệ quy chiếu có thể gắn nhiều hệ trục tọa độ khác nhau. Sau này để đỡ cồng kềnh người ta thưòng coi hệ trục tọa độ đó là hệ quy chiếu. 1.1.2. M ột sô định nghĩa khác /. Hệ lực a) Định nghĩa: - Tập hợp các lực ( Fj , p2 . . F„ ) cùng tác dụng lên một vật rắn gọi là một hệ lực kí hiệu là ( F |, , F „ ). - Hệ hai ỉực song song ngược chiều và cùng cường độ gọi là m ột ngẫu lực. Hinh 1.4 b) Phàn loại hệ lực\ Căn cứ vào sự phân bố các đường tác dụng của các lực thuộc hệ, người ta phân các hệ lực thành các loại sau: - Hệ lực đồng quy; là hệ lục có các đuờng tác dụng giao nhau tại một điểm. - Hệ ngẫu lực; là tập hợp các ngẫu lực cùng tác dụng lên một vật rắn. - Hệ lực song song; có các đường tác dụng của các lực song song với nhau. - Hệ lực phẳng: có các đường tác dụng cùng nằm trên một mặt phẳng. - Hệ lực không gian: có các đường tác dụng phân bô' bất kì trong không gian. 2. H a i hệ lực tương đương: Nếu hai hệ lực có tác dụng cơ học như nhau thì gọi là iưcừig đưofng với nhau. K íhiệu là: (F| , p2 F „ ) ~ ( (|)|, (|)2 ...,(})„,) 3. H ợp lực của m ột hệ lực: Nếu hệ lực tưcmg đương với một lực duy nhất R thì R được gọi là hợp lực của hệ lực và ta nói hộ lực có hợp lực, kí hiệu là: ( F| , F, ..., ) ~ R 4. H ệ lực cán bằng: Nếu tác dụng của hộ lực lên vật mà không làm thay đổi trạng thái đứng yên hay chuyến động của vật khi không chịu tác dụng của hệ lực ấy, thì hệ lực được gọi là cân bằng hay tương đưcmg không, kí hiệu là: ( F| , p2 . . ) ~ 0. 1.2. H Ệ T IÊ N Đ Ể T ĨN H H Ọ C Hệ tiên đề tĩnh học gồm 5 tiên đề. 1. Tiên đề 1 (Tiên đ ề vê' sự cán bằng) Điều kiện cần và đủ để hệ hai lực cân bằng là chúng có cùng đường tác dụng hướng ngược chiều nhau và có cùng cường dộ. F, F2 —*• Hinh 1.5 Tiên đề 1 cho tatiêu chuẩn đầu tiên về sự cân bằng của một hộlực.Sau này để chứng minh một hệ lựccân bằng tacần biến đổi hệ lực đó về hệ hai lực cân bằng. Hai lực thoả mãn tiên đề 1 gọi là trực đối nhau: (Fj , Fj) ~ 0 p2 = - Fj (1.1) 2. Tiên đề 2 (Tiên đê thêm bớt một cặp lực cân bằng) Tác dụng của hệ lực không thav đổi nếu ta thêm vào hay bớt đi một cặp lực cân bằng. Do đó, nếu ( F , F ’) ~ 0 thì: F , F ’) ~ ( F ; , F 2 (1.2) Ý nghĩa của tiên đề 2 là cho ta phép biến đổi tương đưcmg đầu tiên của hệ lực. 3. Tiên đề 3 (Tiên đê hình hình hành lực) Hệ hai lực cùng đặt tại một điểm tương đương với một lực đạt tại điểm chung ấy và được biểu diễn bằng đường chéo của hình bình hành mà hai cạnh là hai véc tơ biểu diễn hai lực đã cho. ( F |,F 2 ) ~ R trong đó R = F| + p2 (1.3) Tiên đề cho phép ta hợp hai lực có cùng điểm đặt và phân tích một lực theo hai phưcfng bất kỳ. 4. Tiên đề 4 (Tiên đê tác dụng và phản tác dụng) Lực tác dụng và phản tác dụng giữa hai vật là hai lực có cùng đường tác dụng hưóng ngược chiều nhau và có cùng cưòfng độ: p2 = -F j 10 Chú ý là lực tác dụng và phản tác dụng không phải là hai lực cân bằng vì chúng tác dụng lên hai vật khác nhau. Tiên đề 4 là cơ sở để nghiên cứu sự cân bằng của hộ vật. 5. T iên đề 5 (Tiên đề hocí rắn) Vật biến dạng đã cân bằng thì khi hoá rắn lại nó vẫn cân bằng. Như vậy một hệ lực đã làm cho vật biến dạng cân bằng thì cũng làm cho vật rắn cân bằng, nhưng một hệ lực làm cho vật rắn cân bằng chưa chắc đã làm cho vật biến dạng cân bằng. Ví dụ hai lực F và F' cùng phưcmg, ngược chiều, cùng cường độ kéo giãn một lò xo từ trạng thái tự nhiên. Khi lò xo không giãn nữa, vật biến dạng cân bằng, mang cặp lực cân bằng này đặt vào một vật rắn thì vật rắn cũng cân bằng. Trái lại mang cặp lực cân bằng đã làm cho vật rắn cần bằng, đặt vào lò xo ở trạng thái tự nhiên thì ngay từ đầu lò xo chưa cân bằng ngay, nó còn bị giãn dài ra đến một mức nào đó mới cân bằng. F' Hình 1.8 Tiên đề 5 là cơ sở nghiên cứu sự càn bằng của các vật biến dạng. 6. Hệ quả Từ các tiên đề tĩnh học có thể suy ra các hệ quả quan trọng sau đây: . a) Hệ quả trượt lực Tác dụng của lực không thay đổi khi trượt lực dợc theo đường tác dụng của nó. Chứng minh: Giả sử cho lực F đặt tại A ta chứng minh có thể trượt F tới đặt tại điểm B bất kỳ nằm trên đường tác dụng của F . Thật vậy, đặt tại B hai lực cân bằng ( F ', F " ) ~ 0 sao cho F = F' = - F " . Theo tiên đề 2: F ~ ( F , F " , F ') ~ F' vì ( F , F " ) ~ 0. Lưc F' chính là lưc F đăt tai B. 11 This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.

Tìm kiếm

Chủ đề

Đồ án tốt nghiệp Hóa học 11 Đơn xin việc Mẫu sơ yếu lý lịch Bài tiểu luận mẫu Thực hành Excel Giải phẫu sinh lý Trắc nghiệm Sinh 12 Đề thi mẫu TOEIC Atlat Địa lí Việt Nam Lý thuyết Dow Tài chính hành vi adblock ​ Bạn đang sử dụng trình chặn quảng cáo?

Nếu không có thu nhập từ quảng cáo, chúng tôi không thể tiếp tục tài trợ cho việc tạo nội dung cho bạn.

Tôi hiểu và đã tắt chặn quảng cáo cho trang web này